不同母質發育旱地土壤反硝化功能差異及其關鍵影響因素①

邢肖毅，盛 榮，徐慧芳,2，張文釗，侯海軍，魏文學*

不同母質發育旱地土壤反硝化功能差異及其關鍵影響因素①

邢肖毅1.2，盛 榮1，徐慧芳1,2，張文釗1，侯海軍1，魏文學1*

(1 中國科學院亞熱帶農業生態研究所桃源農業生態試驗站，亞熱帶農業生態過程重點實驗室，長沙 410125；2 中國科學院大學，北京 100049)

農田土壤反硝化作用強度具有較高的空間異質性，不同類型土壤反硝化作用活性的影響機制可能存在差異。本研究通過大規模樣帶調查，系統采集了3種不同母質發育的旱地農田土壤，對比分析了土壤反硝化能力的差異及其與土壤環境因子的關系。結果發現：土壤反硝化勢在3個類型土壤間有顯著差異，其中河流沖積物發育的潮土(AS)反硝化勢(以單位時間單位質量土壤的N2O釋放量表示)顯著高于其他兩個類型土壤22.22 ~ 579.09 μg/(kg·h)，平均高達213.34 μg/(kg·h)，黑土(BS)的反硝化勢平均為136.38 μg/(kg·h)，略高于第四紀紅色黏土發育的紅壤(QRCS)(96.17 μg/(kg·h))，但兩者無顯著差異。相關性分析表明，土壤pH與反硝化勢極顯著正相關，說明在本研究所測定的土壤性質中，pH可能是影響不同類型土壤反硝化勢差異的關鍵因素，另外，有機質含量對3個類型土壤反硝化勢也有一定影響。同一母質發育的土壤，反硝化能力在不同采樣地點也存在差異，而且調控不同類型土壤內部反硝化勢的關鍵土壤環境因素不盡相同，其中對第四紀紅色黏土發育的紅壤、潮土和黑土影響最為顯著的因素分別為土壤有機質、pH和黏粒含量。

旱地農田土壤；反硝化勢；第四紀紅色黏土發育紅壤；潮土；黑土

氮素是作物生長發育所需的重要營養元素，合理施用氮肥是作物高產的關鍵措施。然而，我國農田氮肥利用率較低，施入農田的氮肥約有40% ~ 50% 通過各種途徑流失[1]。反硝化作用是氮肥流失的重要途徑，不同土壤環境中可導致0 ~ 25% 的氮肥損失[2]，同時反硝化作用還是農田生態系統N2O釋放的主要要途徑[3]。旱作農田作為主要的耕地類型，氮肥施用量的劇增使其成為了農田生態系統N2O的主要貢獻者[4]，其反硝化作用規律亟待研究。

目前國內外學者已經對旱地農田土壤反硝化作用開展了很多研究，涉及不同土壤類型、不同作物類型、不同農業管理措施等[5-11]。旱地農田土壤反硝化作用活性受多種因素的影響，例如土壤pH、質地、硝態氮含量、碳有效性、水分狀況等[8, 12-13]，并且，這些因素對反硝化作用的影響方式和程度會因土壤類型的不同而表現出不同的規律。Lan 等[14]在湖北的研究發現pH是影響土壤反硝化作用的最重要因素，而Xu和Cai[10]卻發現pH并不是影響我國亞熱帶區紅壤反硝化能力的關鍵因素。丁洪等[15]在我國華北平原的研究則表明土壤反硝化作用與土壤質地有關。可見不同類型土壤反硝化作用的強度可能有其特別的影響機制。目前對于土壤反硝化作用的研究主要開展于較小的空間尺度內，研究方法存在差異，研究結果缺乏可比性，對于揭示不同類型土壤反硝化作用特征尚顯不足。不同類型土壤的對比分析對闡明反硝化作用變異以及反硝化與環境因素的關系具有重要意義。

采用統一的方法對大尺度樣品進行分析，是研究土壤反硝化作用差異的重要手段。本試驗系統收集了3種不同母質發育的旱地農田土壤樣品，對比分析了土壤反硝化勢和理化性質，以期闡明我國不同類型旱地土壤反硝化作用的差異，探明土壤反硝化作用的主要影響因素，對于針對性地制定措施減少農業氮肥通過反硝化作用的損失和保護環境提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

從我國5個省份采集3種不同母質發育的旱地農田土壤，分別為第四紀紅色黏土發育的紅壤(QRCS)、河流沖積物發育的潮土(AS)，以及東北地區的黑土(BS)。采樣時間為2014年7月至8月，農作物類型為收獲季節的玉米。采用多點混合取樣的方法采集0 ~ 15 cm耕作層土壤。樣品采集后，一部分置于4℃冰箱保存，用于分析土壤反硝化勢、pH和速效氮；一部分風干，用于有機質、全氮和土壤機械組成的分析。每個類型土壤樣品數量為30個，采集自兩個不同區域，每個區域15個采樣點，共計90個樣點。采樣點地理分布及其氣候條件信息如表1所示，隨采樣點從南到北的分布，年均溫度和年均降雨量逐漸降低。

表1 采樣點地理分布及氣候條件情況

1.2 土壤理化性質測定

土壤理化性質測定采用常規的分析方法。土壤pH采用水土比1︰1浸提后，用pH計進行測定(FE-20, METTLER TOLEDO, China)；土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法測定；土壤全氮以H2SO4消化后采用流動注射分析儀進行測定(FIAstar5000, FOSS, Sweden)；土壤硝態氮和銨態氮采用1 mol/L KCl溶液按土液比1︰10浸提后，使用AA3分光光度計測定(FIAstar5000, FOSS, Sweden)。土壤機械組成采用比重計法(GB 7845—87)測定，砂粒、粉粒、黏粒的粒徑分別為2 ~ 0.05、0.05 ~ 0.002、＜0.002 mm，對比美國制土壤質地分類三角坐標圖對土壤質地進行命名。

1.3 土壤反硝化勢測定

土壤反硝化勢(DEA，以單位時間單位質量土壤的N2O釋放量表示)的測定方法參照Pell等[16]：稱取25 g解凍鮮土于125 ml廣口瓶中，25℃過夜；次日加入25 ml底物(1 mmol/L葡萄糖和1 mmol/L KNO3)，反復用氮氣填充3次，橡膠塞密封，將瓶內10% 的氣體置換為乙炔，使瓶內氣壓保持在一個大氣壓；將廣口瓶放入搖床培養6 h(225 r/min，25℃)，每小時收集一次氣體。采氣方法為用5 ml 注射器通過橡膠塞頂部的三通閥采集2 ml瓶內氣體，充入12 ml真空氣瓶中，再向氣瓶中注入28 ml高純氮氣。采用氣相色譜法檢測N2O濃度，所用儀器為安捷倫公司生產的GC7890A(Agilent，USA)。土壤反硝化勢的計算公式如下：

式中：6和1分別表示培養1 h和6 h時氣體樣品中N2O的濃度(μmol/mol)；表示鮮土質量(g)。

1.4 統計分析

本研究數據的統計分析均采用 SPSS 18. 0 軟件(表1)。不同土壤類型土壤理化性質和反硝化勢的差異性分析采用單向方差分析法(One Way ANOVE，LSD檢驗)；土壤理化性質與反硝化勢的相關分析采用Pearson 相關分析和偏相關分析，并對所有土壤樣品和各個土壤類型分別進行分析。圖形制作采用Excel 2007和Origin Pro 8.0軟件。

2 結果

2.1 不同母質發育旱地農田土壤的理化性質

不同母質發育旱地農田土壤理化性質具有顯著差異表2。在土壤質地方面，第四紀紅色黏土發育的紅壤黏粒含量最高，變化范圍在281.52 ~ 487.13 g/kg，其中尤以祁陽紅壤含量更高，平均值達413.55 g/kg，桃源紅壤平均為322.58 g/kg。潮土和黑土土壤質地較為相似，均以粉粒含量最高，二者的粉粒含量分別在276.21 ~ 687.92 g/kg 和550.24 ~ 683.13 g/kg，土壤質地多屬于粉(砂)壤土。第四紀紅色黏土發育的紅壤多屬于強酸性和酸性土壤，pH變化范圍在4.42 ~ 6.40，平均為5.45；潮土為堿性土壤，pH在7.47 ~ 8.87，平均為8.20；而黑土pH跨度較大，變化范圍在4.88 ~ 8.19，其中多數在5 ~ 7，接近于中性。土壤養分方面，第四紀紅色黏土發育的紅壤具有最高的全氮含量，變化范圍在0.97 ~ 1.75 g/kg，同時具有最低的C/N，平均值僅為9.06；潮土養分含量相對于其他土壤略低，有機質、全氮和銨態氮整體低于其他兩個土壤類型，其平均含量分別為19.64 g/kg、1.19 g/kg和2.77 mg/kg；黑土養分含量最為豐富，有機質、硝態氮和銨態氮的含量均較高，變化范圍分別在18.01 ~ 45.82 g/kg、11.70 ~ 125.75 mg/kg、0.97 ~ 29.67 mg/kg，而C/N也最高，平均為12.91。

表2 土壤理化性質

注：表中數值為平均值±標準差，=15；同行不同字小寫母表示不同采樣區土壤理化性質差異顯著(<0.05)，下同。

2.2 不同母質發育旱地農田土壤的反硝化勢

土壤反硝化勢變異較大(圖1)，整體以潮土最高，變化范圍為22.22 ~ 579.09 μg/(kg·h)，平均為213.34 μg/(kg·h)，其次是黑土，其反硝化勢變化范圍在20.54 ~ 464.09 μg/(kg·h)，平均為136.38 μg/(kg·h)，而紅壤反硝化勢最低，在4.77 ~ 228.00 μg/(kg·h)，平均值僅為96.17 μg/(kg·h)。盡管同一母質類型兩個采樣區域相隔數百公里，但其土壤反硝化勢相近，無顯著差異。

2.3 旱地農田土壤反硝化勢與土壤理化性質的關系

為了明確影響不同類型土壤反硝化能力差異的關鍵影響因素，將所有樣點土壤反硝化勢與土壤性質進行Pearson相關分析，結果發現，土壤反硝化勢與pH及有機質、硝態氮、砂粒、黏粒含量均顯著相關，而土壤理化性質間也存在顯著的相關關系，因此進一步對數據進行偏相關分析。結果表明(圖2)，土壤反硝化勢與pH、有機質含量極顯著正相關(<0.01)。可見，在本試驗所測定的土壤性質中，土壤pH和有機質可能對土壤反硝化勢在不同土壤間的變異有更重要的影響。

3種不同類型土壤反硝化勢具有一定差異，而在每個土壤類型內部反硝化勢同樣存在很大的變異，為了闡明土壤類型內部反硝化勢變異的影響因素，對不同類型土壤分別進行反硝化勢與土壤性質的相關分析，結果表明不同類型土壤與反硝化勢相關的土壤性質有所不同。據偏相關分析(圖3)，與紅壤、潮土和黑土反硝化勢顯著相關的土壤性質分別為有機質含量、黏粒含量和pH。

圖1 土壤反硝化勢

3 討論

亞熱帶第四紀紅色黏土發育的紅壤、華北平原潮土、東北黑土作為我國主要的農業生產用土，其土壤反硝化作用為很多研究者所關注[10,11,15,17-20]。本試驗以反硝化勢表征3種不同類型土壤反硝化功能的差異，結果顯示，土壤反硝化勢變異較大，介于4.77 ~ 579.09 μg/(kg·h)，整體以潮土最高，黑土次之，第四紀紅色黏土發育的紅壤最低。

土壤反硝化勢在不同土壤間的變化規律與土壤pH的變化一致，本研究相關分析表明，pH與3種類型土壤反硝化勢的整體變異極顯著正相關，可能是影響研究區土壤反硝化勢的最關鍵因素。土壤pH和反硝化作用的相關性已為很多研究所證明[14,21-23]。包括土壤pH在內的土壤諸多性質，例如有機質含量、NO– 3-N含量、土壤質地、碳有效性、水分狀況等都可能導致土壤反硝化速率的瞬間或持久性的變化[10,14,22-25]。而在這些因素中，pH可以直接或間接地影響其他性質，被認為是土壤的主變量[23,26]，是影響土壤反硝化作用的主要因素[14]。土壤pH與反硝化勢正相關，一方面是因為較低的pH會限制土壤反硝化微生物的生長，另一方面較低的pH可能導致反硝化微生物可利用的有機碳和礦質氮的有效性下降[27]。本研究土壤pH的變化范圍在4.42 ~ 8.87，其中潮土的平均pH為8.20，黑土為5.82，第四紀紅色黏土發育的紅壤最低，平均僅為5.45。較低的pH可能在不同程度上限制了黑土和第四紀紅色黏土發育紅壤的反硝化勢。土壤pH除了在大的空間尺度上對反硝化勢具有調控作用，同時還影響黑土內部反硝化勢的變異。這可能是因為本試驗所采集黑土pH具有較大變異性(pH 4.88 ~ 8.19)，因此對其反硝化勢的影響表現得更為重要。Yin等[20]同樣發現pH對于東北黑土反硝化作用的重要影響。

圖2 大尺度區域土壤反硝化勢與理化性質的關系

圖3 不同類型土壤反硝化勢與理化性質的關系

除pH外，土壤有機質含量與反硝化勢也呈現極顯著正相關關系，是影響3種不同類型土壤反硝化勢差異的另一個重要因素。很多研究發現有機質對土壤反硝化有促進作用[10,28-29]。黑土反硝化勢在3種類型土壤中居中，一方面是因為黑土的pH居中，另一方面也可能是因為較高的有機質含量。有機質是影響土壤反硝化勢空間變異的重要因素之一[30-31]。反硝化作用需要消耗電子，并且是異養過程[32-33]。有機質不僅可以提供電子，還可以作為反硝化微生物生長和活動的有機底物，并且有機物質的分解需要消耗氧氣，促進土壤厭氧環境的形成，有利于反硝化作用的發生[33]。有機質含量除了影響3種不同類型土壤反硝化勢的差異，還對第四紀紅色黏土發育紅壤內部反硝化勢的變化有重要影響。Xu和Cai[10]在亞熱帶地區開展的試驗表明，有機碳和氮的有效性對反硝化作用的影響至關重要。本試驗中第四紀紅色黏土發育的紅壤相較于其他兩個類型土壤，黏粒含量較高，而黏粒會通過配位體交換、氫鍵及疏水鍵等作用吸附有機碳，形成惰性礦物結合態有機碳[34-35]。由此可推測，本試驗中雖然紅壤有機質含量與其他類型土壤相比居中等水平，但是有機質的活性可能較低，因此成為限制土壤反硝化勢的又一因素。本研究發現第四紀紅色黏土發育紅壤反硝化勢較低，平均值僅為96.17 μg/(kg·h)。其他研究也發現，我國亞熱帶紅壤反硝化作用強度普遍較低，反硝化作用并不是該區氮損失的主要途徑[10,27]。

土壤pH和有機質分別影響了黑土和第四紀紅色黏土發育紅壤內部反硝化勢的變異，而對于潮土反硝化勢的變化，黏粒含量可能更為重要。相關分析表明，黏粒含量與潮土反硝化勢正相關。丁洪等[15]在我國華北平原的研究也發現，pH、有機質等因素不再成為限制土壤反硝化作用的主要因素，而質地黏重的土壤反硝化活性強。土壤組分在很大程度上決定了土壤的滲透系數、持水能力、孔隙度和氣體含量[34]。黏粒的存在有利于土壤保有更多的毛細管孔隙，利于水分的留存，而不利于水分的排出，使土壤內部形成局部厭氧條件[36]，有利于反硝化作用的發揮。本研究中，潮土黏粒含量最低，質地較輕，從土壤質地而言不利于反硝化作用的進行，因此成為了限制潮土反硝化作用的重要因素。

4 結論

我國旱作農田土壤反硝化勢變異較大，3種不同類型的土壤表現為華北平原潮土反硝化勢最高，其次是東北地區的黑土，而第四紀紅色黏土發育的紅壤最低。在本試驗所測定土壤性質中，土壤pH和有機質可能是導致不同類型土壤反硝化勢空間差異的主要因素。不同類型土壤內部反硝化勢也存在較大的變異，且對于不同類型土壤，影響其變化的因素不同。對第四紀紅色黏土發育的紅壤、潮土和黑土，最為重要的影響因素分別為有機質含量、黏粒含量和pH。因此，為減少氮肥損失以及N2O溫室氣體排放，應考慮不同土壤特征，因土制宜地采取相應措施。

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Denitrification Characteristics of Dryland Soils Derived from Different Parent Materials

XING Xiaoyi1,2, SHENG Rong1, XU Huifang1,2, ZHANG Wenzhao1, HOU Haijun1, WEI Wenxue1*

(1 Key Laboratory of Agro-ecological Processes in Subtropical Regions, Taoyuan Station of Agro-Ecology Research, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125, China;2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Denitrification actively takes place in dryland soils due to drastic increase of anthropogenic application of nitrogen fertilizer. Many studies have demonstrated that soil properties strongly influence the heterogeneity of denitrifying capacity in dryland soils, and the relationship between denitrification and soil properties of different soil types differentiate in some degree. However, most studies were restricted to small-scale spatial denitrifying activity and were difficult to uncover the variation of denitrifying capacity of different soils. Soil denitrifying enzyme activities (DEA) and physicochemical properties were studied over 90 sites in dryland soils derived from three different parent materials, including red soil derived from quaternary red clays (QRCS), alluvial soil derived from river deposits (AS), and black soil (BS). The results showed that DEAs were significantly different in the three tested soils. DEA in AS was ranged from N2O 22.22 to 579.09 μg/(kg·h) with an average of N2O 213.34 μg/(kg·h), significantly higher than those of other two soils. The average DEA in BS was N2O 139.68 μg/(kg·h), higher but not significantly than that of QRCS with an average DEA of N2O 98.53 μg/(kg·h). Correlation analysis based on all soil samples showed that DEA significantly positively correlated with pH, indicating that pH might be the key factor of DEA. Furthermore, soil organic matter (SOM) also influenced DEA. Soil DEAs and their influential factors were different in different sampling sites even with the same parent material. SOM, pH or clay content was the dominant factor for DEAs of QRCS, AS and BS, respectively. This study suggests that DEAs are different in different soil types, hence soil type should be considered when adopting measures to decrease nitrogen loss through denitrification.

Dryland soil; Denitrifying enzyme activity; Red soil derived from quaternary red clays; Alluvial soil; Black soil

中國科學院戰略性先導科技專項(XDB15020200)、國家自然科學基金項目(41330856，41501277，41401295)和項目(2016JJ3133)資助。

wenxuewei@isa.ac.cn)

邢肖毅(1988—)，女，陜西西安人，博士研究生，主要研究方向為土壤微生物分子生態學。E-mail: xingxiaoyi101@163.com

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A

10.13758/j.cnki.tr.2019.05.015